ПЕРШИЙ РЕЗУЛЬТАТ ВИМІРЮВАНЬ 2β-РОЗПАДУ 150Nd НА 01

+ ЗБУДЖЕНИЙ СТАН 150Sm У ПІДЗЕМНІЙ ЛАБОРАТОРІЇ ГРАН-САССО

Д.В. Касперович1, О.С. Барабаш2, П. Беллі3,4, Р. Бернабей3,4, Р.C. Бойко1,5, Ф.А. Даневич1,6,

A. Інчікітті7,8, Ф. Каппелла7, В.Караччіоло9, В.В. Кобичев1, Р.В. Кобичев1, С.І. Коновалов2,

M. Лаубенштейн9, Д.В. Пода1,6, О.Г. Поліщук1, В.І. Третяк1, Р. Черуллі3,4, В.І. Юматов2

1 Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ, Україна

2 Інститут теоретичної і експериментальної фізики ім. А.І. Аліханова НДЦ «Курчатовський інститут», Москва, Росія

3 НІЯФ, відділення у Римі «Тор Вергата», Рим, Італія

4 Римський університет «Тор Вергата», Рим, Італія

5 Національний університет біоресурсів і природокористування України, Київ, Україна

6 Центр ядерної фізики та матеріалознавства, Орсе, Франція

7 НІЯФ, відділення у Римі, Італія

8 Римський університет «Ла Сапієнца», Рим, Італія

9 Національна лабораторія Гран-Сассо, Ассерджі, Італія

1

2β-розпад ядра 150Nd150Nd – одне із найперспективніших ядер для дослідження 0ν2β-розпаду:

• Енергія подвійного бета розпаду

Qββ = 3371,38(20) кеВ [1];

• Вміст ізотопу у природній суміші

δ = 5,638(28)% [2];

• Можливість ізотопного збагачення;

• Можливість дослідження розпаду на збуджені стани дочірнього ядра методами HP Ge – спектрометрії.

0

334.0

740.5

0+

2+

0+

Nd150

60

Pm150

61

Sm150

62

ββ–0+

1–

Схема 2β-розпаду 150Nd

[1] V.S. Kolhinen et al., Phys. Rev. C 82 (2010) 022501.

[2] J. Meija et al., Pure Appl. Chem. 88 (2016) 293.

2

Попередні вимірювання 2β-розпаду 150Nd на 0+(740.5 кеВ) рівень 150Sm

Лабораторія та короткий опис експерименту T1/2, 1019 років Рік, джерело

Модан (Франція), 4800 м в.е., HP Ge 400 см3, 3046 гNd2O3 (δ = 5.638%), 11321 год (одновимірний спектр)

14−4+5 2004 [1]

Повторна обробка результатів [1] 13.3−2.6+4.5 2009 [2]

Модан (Франція), 4800 м в.е., NEMO-3, фольга з 57.2 г 150Nd2O3 (δ = 91%), 22193 h, енергії e– та γ, треки e–

7.1 ± 1.6 2013 [3]

Кімбаллтон (США), 2 HP Ge, 50 г Nd2O3 (δ = 93.6%), 15427 год (одновимірні спектри та спектри збігів) 10.7−4

+5 2014 [4]

Гран Сассо (Італія), 3600 м в.е., 4 HP Ge (близько 225 см3 кожен), 2381 г пресованого 150Nd2O3

(δ = 5.638%), 16375 h (одновимірні спектри та спектри збігів)

8.7−2.7+6.0 2018

[1] A.S. Barabash et al., Phys. Atom. Nucl. 67 (2004) 1216. [3] S. Blondel, PhD thesis, LAL, Orsay, France, LAL 13-154 (2013).

[2] A.S. Barabash et al., Phys. Rev. C 79 (2009) 045501. [4] M.F. Kidd et al., Phys. Rev. C 90 (2014) 055501.

3

Установка GeMulti• 4 HP Ge детекторів (об’ємами 225.2,

225.0, 225.0, 220.7 см3, відповідно) уєдиному кріостаті з циліндричнимколодязем у центрі

• Пасивний захист: мідь (10 см), свинець(20 см)

• Плексигласовий контейнер з постійнимпотоком високочистого азоту длявитіснення радону

№ детектора ПШПВ, кеВ(пік 1333 кеВ, 60Co)

1 2.36(2)

2 2.01(2)

3 2.06(2)

4 4.01(4)

4

Енергетичний спектр установки

500 1000 1500 2000 2500

1E-3

0,01

0,1

1

176Lu, 306.8

138La, 1435.8

Від

лік

и/к

еВ

/с

Енергія, кеВ

Фон установки GeMulti, 7862 год

спектр зразка Nd2O

3, 16375 год

212,214Pb, 239

295 352 214

Pb,

511

214Bi, 609

137Cs,

662

228Ac,

911 969

214Bi, 1120

60Co

40K, 1461

214Bi, 1764

208Tl, 2614

5

Радіоактивна забрудненість зразкаДля вимірювань були використані зразкиоксиду неодиму з натуральнимізотопним складом, щовикористовувалися раніше для подібногоексперименту [1]. Перед вимірюваннямиматеріал був додатково очищений [2],після чого порошок був спресований у 20«таблеток» діаметром 56.5 мм тависотою близько 19 мм кожна. Загальнамаса вимірюваних зразків становить2380.7(4) г.

У енергетичних спектрах, окрімзвичайного набору гамма-ліній,спостерігаються лінії 307 кеВ та 1436 кеВ,що відсутні у спектрі фону. Вонивиникають в результаті наявності удосліджуваних зразках ізотопів 176Lu та138La.

[1] A.S. Barabash et al., Phys. Atom. Nucl. 67 (2004) 1216.[2] R.S. Boiko, Int. J. Modern Phys. A 32 (2017) 1743005.

6

Радіоактивна забрудненість зразкаРадіоактивна забрудненість зразківбула виміряна шляхом порівнянняплощі відповідних піків у спектрахфону зі зразком і без нього тарозраховується за формулою

𝐼 =𝑆

𝑡 ∗ 𝜀 ∗ 𝜂

Тут S – різниця площі у спектрі зізразком та без зразка; t – часвимірювань; ε – ефективністьреєстрації (розрахована в програміTEFF – розробленій В.І. Третяком), η– квантовий вихід гамма-квантів.

Ене

ргі

я, к

еВ

Ізо

топ

Акт

ивн

ість

ізо

топ

у,

мБ

к/кг

306.8 176Lu 0,26(5)

351.9 214Pb <0,19

609.3 214Bi <0,13

661.7 137Cs <0,03

911.2 228Ac 0,12(11)

1001.0 234mPa <0,05

1063.7 207Bi <0,07

1173.2 60Co <0,06

1435.8 138La 0,054(13)

1460.8 40K <277,2

2614.5 208Tl 0,040(26)

7

Пошук 2β-розпаду 150Nd на 01+ рівень 150Sm

300 320 340 400 420

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

228Ac, 338

176Lu, 307 214

Pb, 352

214Pb, 295

406.5

Від

лік

и/0

.35 к

еВ

Енергія, кеВ

Nd2O

3, детектори 1-3

Nd2O

3, детектори 1-4

334

У подвійному бета розпаді150Nd на перший 0+ збудженийрівень 150Sm відбуваєтьсяперехід в основний рівеньдочірнього ядра з каскаднимвипромінюванням двох гамма-квантів 334,0 кеВ та 406,5 кеВ. Водновимірному енергетичномуспектрі шукані піки не виявлені.Таким чином, можна отриматилише обмеження на періоднапіврозпаду на рівні 0.6 × 1020

та 1.0 × 1020 років (для енергій334 кеВ та 406.5 кеВ,відповідно).

8

Пошук 2β-розпаду 150Nd на 01+ рівень 150Sm

Крім одновимірних спектрів, булипобудовані двовимірні спектри збігівміж різними парами детекторів. Удвовимірних спектрах були виявленішукані піки, що дозволяє визначитиперіод напіврозпаду за формулою:

𝑇1/2 =ln2 ∗ 𝑁 ∗ ε ∗ 𝑡

𝑆,

де S – площа піку; ε – ефективністьреєстрації (розрахована в програміTEFF); t – час вимірювання; N –кількість атомів 150Nd у зразку.S = 5,7(2,3)

𝑇1/2 = (8.7−2.5+5.9(стат. ) ± 0.9(сист. )) × 1019 років

9

Порівняння з іншими експериментами

Порівняння результатіввимірювань з даними,отриманими в іншихекспериментах.Отримане значенняперіоду напіврозпадудобре узгоджується зотриманими ранішезначеннями.

2004 [1] 2009 [2] 2013 [3] 2014 [4] 2018

[1] A.S. Barabash et al., Phys. Atom. Nucl. 67 (2004) 1216. [3] S. Blondel, PhD thesis, LAL, Orsay, France, LAL 13-154 (2013).[2] A.S. Barabash et al., Phys. Rev. C 79 (2009) 045501. [4] M.F. Kidd et al., Phys. Rev. C 90 (2014) 055501.

10

Висновки• Дослідження подвійного бета-розпаду ядра 150Nd на збуджені

рівні 150Sm проводяться методом низькофонової гамма-спектрометрії за допомогою 4-кристальногонапівпровідникового детектора з надчистого германію упідземній лабораторії Гран Сассо.

• Визначено рівні радіоактивної забрудненості зразка оксидунеодиму.

• У одновимірному енергетичному спектрі, виміряному впродовж16375 годин, піки гамма-квантів з енергіями 334 та 406.5 кеВ, щоочікуються при подвійному бета-розпаді 150Nd на 01

+ збудженийрівень 150Sm, не виявлені.

• У спектрі збігів різних пар детекторів є шукані піки площею5,7(2,3). Період напіврозпаду 150Nd відносно розпаду на 01

+

збуджений рівень 150Sm становить:

𝑇1/2 = (8.7−2.5+5.9(стат. ) ± 0.9(сист. )) × 1019 років

• Отримане значення добре узгоджується з попереднімиекспериментами. Подальші вимірювання дозволять зменшитистатистичну похибку вимірювань і уточнити результат.

11